混合動(dòng)力車(chē)制動(dòng)工況分析與儲(chǔ)能裝置參數(shù)匹配

王偉達(dá)，王言子，項(xiàng)昌樂(lè)，劉 輝

（北京理工大學(xué)車(chē)輛傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100081北京）

混合動(dòng)力車(chē)制動(dòng)工況分析與儲(chǔ)能裝置參數(shù)匹配

王偉達(dá)，王言子，項(xiàng)昌樂(lè)，劉 輝

（北京理工大學(xué)車(chē)輛傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100081北京）

為提高混合動(dòng)力系統(tǒng)整體性能，實(shí)現(xiàn)高效能量回收，分析某重型越野車(chē)輛駕駛循環(huán)工況中制動(dòng)過(guò)程的功率與能量分布，從制動(dòng)能量回收率與電機(jī)參數(shù)出發(fā)討論對(duì)儲(chǔ)能裝置的性能要求.提出電池組-超級(jí)電容復(fù)合儲(chǔ)能裝置的參數(shù)匹配方法，針對(duì)21 t級(jí)試驗(yàn)樣車(chē)混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)例計(jì)算，論證鋰離子電池組與超級(jí)電容組成的復(fù)合儲(chǔ)能裝置的性能.實(shí)例計(jì)算與道路試驗(yàn)結(jié)果表明：匹配的復(fù)合儲(chǔ)能裝置符合車(chē)輛整體性能與制動(dòng)能量回收的要求，體積、重量滿足總體設(shè)計(jì)約束；匹配超級(jí)電容后，儲(chǔ)能裝置的瞬時(shí)功率能力大幅提升，可顯著提高車(chē)輛的制動(dòng)能力和制動(dòng)能量回收率.

機(jī)電聯(lián)合制動(dòng)；制動(dòng)工況分析；復(fù)合儲(chǔ)能裝置；參數(shù)匹配；超級(jí)電容

混合動(dòng)力車(chē)輛中的機(jī)電聯(lián)合制動(dòng)功能可提高制動(dòng)能力與響應(yīng)速度，而且制動(dòng)電機(jī)發(fā)電與儲(chǔ)能裝置配合可進(jìn)行制動(dòng)能量回收，這對(duì)于提高混合動(dòng)力系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性具有重要意義.混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)可綜合串聯(lián)式與并聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)與控制復(fù)雜，功率分配策略需要儲(chǔ)能裝置的密切配合，并且進(jìn)行“削峰填谷”才能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的控制性能，所以從功率、能量與體積、重量的角度出發(fā)對(duì)儲(chǔ)能裝置合理設(shè)計(jì)與匹配尤為重要.由于目前普遍使用的鋰離子電池組功率密度相對(duì)較低，所以電池組配合其它儲(chǔ)能設(shè)備如超級(jí)電容、超高速飛輪等組成復(fù)合儲(chǔ)能裝置得到了廣泛的研究，尤其是電池組和超級(jí)電容在能量密度和功率密度方面具有互補(bǔ)性，是一種比較理想的組合［1-5］.吉林大學(xué)、上海交通大學(xué)、清華大學(xué)等都對(duì)此進(jìn)行了研究論證［6-9］.由于車(chē)輛質(zhì)量大，制動(dòng)要求高，重型混合動(dòng)力車(chē)輛的制動(dòng)功率非常大，匹配重型混合動(dòng)力車(chē)輛的機(jī)電聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)及儲(chǔ)能裝置時(shí)，不可能按照最大的制動(dòng)功率與能量進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)匹配.為滿足車(chē)輛的動(dòng)力與制動(dòng)需求及總體設(shè)計(jì)約束，必須依據(jù)一定的車(chē)輛駕駛循環(huán)工況才能達(dá)到合理匹配系統(tǒng)參數(shù)，發(fā)揮系統(tǒng)最優(yōu)性能的目的.目前，國(guó)際上有UDDS和NEDC等駕駛循環(huán)，國(guó)內(nèi)針對(duì)北京、上海、武漢、長(zhǎng)春等城市路況也總結(jié)出了城市駕駛循環(huán)工況［10］.重型越野車(chē)輛相對(duì)來(lái)講比較特殊，多在市郊公路甚至非道路路面行駛，與城市路況有顯著的不同，應(yīng)用于此類(lèi)車(chē)輛的混合動(dòng)力系統(tǒng)與儲(chǔ)能裝置匹配應(yīng)與其行駛工況相適應(yīng).

本文依據(jù)某重型越野車(chē)輛的道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析方法提取重型越野車(chē)輛的駕駛循環(huán)工況.根據(jù)駕駛循環(huán)工況分析其中的制動(dòng)過(guò)程的功率與能量分布，針對(duì)機(jī)電聯(lián)合制動(dòng)與制動(dòng)能量回收進(jìn)行儲(chǔ)能裝置的參數(shù)匹配與實(shí)例計(jì)算，通過(guò)實(shí)車(chē)道路試驗(yàn)對(duì)復(fù)合儲(chǔ)能裝置進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.試驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)，通過(guò)數(shù)據(jù)相關(guān)性處理，合成了重型越野車(chē)輛駕駛循環(huán)工況，如圖1所示.

圖1 某重型越野車(chē)輛駕駛循環(huán)工況

1 制動(dòng)工況分析

由于車(chē)輛的行駛工況復(fù)雜多變，所以研究制動(dòng)工況的能量分布規(guī)律需要依據(jù)具有統(tǒng)計(jì)特征的綜合駕駛循環(huán)工況.制定某種車(chē)輛駕駛循環(huán)工況的一般做法為:首先，利用各種測(cè)試系統(tǒng)針對(duì)不同車(chē)輛進(jìn)行道路試驗(yàn)，采集能夠反映車(chē)輛行駛特征的參數(shù)，如車(chē)速，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等；然后，依據(jù)道路擁擠程度或流量大小，分類(lèi)定義不同道路區(qū)域如市區(qū)、郊區(qū)和高速公路，同時(shí)定義用于描述車(chē)輛運(yùn)行狀況的特征參數(shù)，如平均速度，加速度等；最后，利用各種統(tǒng)計(jì)理論（或商用軟件），從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取一定長(zhǎng)度的樣本數(shù)據(jù)（測(cè)試行駛距離）作為車(chē)輛行駛工況.

以21 t的某重型越野車(chē)輛試驗(yàn)路面行駛里程

由圖1可知，由于是重型越野車(chē)輛，且多在市郊公路或土路等路面上行駛，與城市車(chē)輛的行駛工況特點(diǎn)有較大區(qū)別，所以本文針對(duì)此循環(huán)工況進(jìn)行制動(dòng)工況分析與儲(chǔ)能裝置參數(shù)匹配.

混合動(dòng)力系統(tǒng)中連接在齒圈上的電動(dòng)機(jī)可被控制作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，從而將車(chē)輛的動(dòng)能或位能變換為電能，并存儲(chǔ)在電能存儲(chǔ)裝置中，得以再次利用.通常，車(chē)輛制動(dòng)需求的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩比電動(dòng)機(jī)所能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大得多，所以在混合驅(qū)動(dòng)車(chē)輛中，機(jī)械摩擦制動(dòng)系統(tǒng)與電機(jī)再生制動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)存在.

分析制動(dòng)工況中的能量損耗、起始車(chē)速、制動(dòng)功率、制動(dòng)減速度等是匹配電機(jī)和電池組參數(shù)，進(jìn)行機(jī)電聯(lián)合制動(dòng)力控制的主要依據(jù).

制動(dòng)期間消耗能量很大.將21 t的試驗(yàn)樣車(chē)從90 km／h車(chē)速制動(dòng)到零，在幾秒鐘內(nèi)約消耗6.56 MJ的動(dòng)能（0．5Mv2）．重型混合動(dòng)力車(chē)輛匹配的電池組容量較大，達(dá)到100 A·h，額定母線電壓為550 V，相當(dāng)于198 MJ的能量.試驗(yàn)樣車(chē)一次最大制動(dòng)能量占電池組最大存儲(chǔ)能量的3.3%，可見(jiàn)回收能量的空間和前景是非?？捎^的.

重型越野車(chē)輛駕駛循環(huán)工況的加減速度、制動(dòng)車(chē)速和制動(dòng)功率等基本特征數(shù)據(jù)如表1所示.

該駕駛循環(huán)工況下的制動(dòng)功率分布如表2所示.功率低于100 kW的減速認(rèn)為是車(chē)輛滑行阻力導(dǎo)致的，不作為制動(dòng)工況.

表1 輪式車(chē)輛駕駛循環(huán)工況基本特征參數(shù)

表2 制動(dòng)功率分布比例統(tǒng)計(jì)

制動(dòng)功率低于500 kW的制動(dòng)次數(shù)占到總制動(dòng)次數(shù)的59.5%，低于600 kW的制動(dòng)次數(shù)占總制動(dòng)次數(shù)的82.5%，低于700 kW的制動(dòng)次數(shù)占總制動(dòng)次數(shù)的93.5%，超過(guò)700 kW的制動(dòng)次數(shù)占總制動(dòng)次數(shù)的6.5%.混合動(dòng)力系統(tǒng)匹配的電動(dòng)機(jī)（可用作再生制動(dòng)電機(jī)）的峰值功率為230 kW，這意味著在超過(guò)90%的情況下聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)具有回收制動(dòng)能量接近30%的能力（電機(jī)發(fā)電與儲(chǔ)能裝置存儲(chǔ)效率假定為85%，能量回收率計(jì)算為230×0.85／700=28.1%）.

綜合分析制動(dòng)功率和制動(dòng)強(qiáng)度可知，在一般駕駛工況中，絕大多數(shù)制動(dòng)屬于中低強(qiáng)度的制動(dòng)，并且以偏低的制動(dòng)強(qiáng)度居多.這為利用制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小的電機(jī)進(jìn)行再生制動(dòng)提供了有利條件.

混合動(dòng)力輛常用的制動(dòng)強(qiáng)度和制動(dòng)功率并不大.但受限于電機(jī)制動(dòng)功率和電池組可充電功率，混聯(lián)式混合動(dòng)力車(chē)輛制動(dòng)能量回收率并不高.這是因?yàn)?一方面，混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)一般包括兩個(gè)電機(jī)，匹配時(shí)單個(gè)電機(jī)功率需求降低，有利于降低電機(jī)體積重量和提高系統(tǒng)功率密度，但因?yàn)橹挥旋X圈上的電動(dòng)機(jī)可以用于制動(dòng)，發(fā)電功率有限；另一方面，動(dòng)力電池組安全充電電流小，在沒(méi)有快速充電裝置的情況下再生電流易引起母線電壓急劇升高，影響系統(tǒng)安全.從再生制動(dòng)功率的角度出發(fā)，串聯(lián)式混合動(dòng)力方案具有一定優(yōu)勢(shì).串聯(lián)方案中，只有電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電機(jī)額定功率較大，且雙側(cè)電機(jī)都能進(jìn)行再生制動(dòng)，所以再生制動(dòng)功率很高.當(dāng)然，在再生制動(dòng)功率提高的情況下，必須有相應(yīng)的快速充電裝置（如超級(jí)電容）才能較大幅度提高制動(dòng)能量回收率.

2 復(fù)合儲(chǔ)能裝置參數(shù)匹配方法

在機(jī)械功率和電功率共同驅(qū)動(dòng)的混聯(lián)式混合動(dòng)力車(chē)輛中，其電儲(chǔ)能裝置主要對(duì)整車(chē)電功率起“削峰填谷”作用，因此在車(chē)輛由機(jī)械功率和電功率共同驅(qū)動(dòng)的工況下，對(duì)電能和電功率的需求不大.車(chē)輛在靜音行駛（純電驅(qū)動(dòng)）的工況中，能量全部來(lái)源于儲(chǔ)能裝置，因此需要對(duì)靜音行駛工況下的電功率和電能的需求進(jìn)行計(jì)算.混合動(dòng)力車(chē)輛另一重要的特點(diǎn)是，可以將車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存起來(lái)，同時(shí)產(chǎn)生一定的負(fù)荷阻力使車(chē)輛減速制動(dòng)；當(dāng)車(chē)輛再次需要電能驅(qū)動(dòng)時(shí)，復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放電能驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，達(dá)到節(jié)能的目的.因此，車(chē)輛減速制動(dòng)過(guò)程中回收的電能及其功率的大小也需要進(jìn)行計(jì)算.

2.1 靜音行駛需要的電能和電功率計(jì)算方法

車(chē)輛靜音行駛的需求功率為

式中:Vs為靜音行駛要求速度，Paux為靜音行駛時(shí)輔助系統(tǒng)消耗功率，fr為滾動(dòng)阻力系數(shù)，ρa(bǔ)為空氣密度，CD為風(fēng)阻系數(shù)，Af為迎風(fēng)面積，ηbatt為電池放電效率，ηbs為儲(chǔ)能裝置到地面的傳動(dòng)效率．

車(chē)輛靜音行駛時(shí)消耗的能量為

式中:Ejy為需要的能量，Pjy為靜音行駛工況功率，S為靜音行駛歷程，Vs為靜音行駛要求速度．

根據(jù)再生制動(dòng)電機(jī)功率，可計(jì)算得到最大制動(dòng)回收能量.

與制動(dòng)工況相比，加速工況對(duì)復(fù)合儲(chǔ)能裝置的功率及能量的要求較小，所以主要從制動(dòng)工況出發(fā)匹配儲(chǔ)能裝置參數(shù).

2.2 電池組參數(shù)匹配方法

由于鋰離子電池技術(shù)的限制，電池組所能提供的電功率的大小受到很大限制，電池組的功率很難滿足在短時(shí)間內(nèi)全部回收制動(dòng)能量的要求.在靜音行駛工況，整車(chē)的能量全部來(lái)自于電池組，因此電池組的功率下限是靜音行駛工況下車(chē)輛需求的功率，電池組的能量下限是靜音行駛工況下需求的電能.鋰離子電池組儲(chǔ)能方案參數(shù)匹配流程如圖2所示.

(3) 人類(lèi)對(duì)于日常一直看到的東西，有一種將其自然忽略與屏蔽的慣性，所以在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，燈光指示往往被忽略而達(dá)不到應(yīng)有的指示作用。

圖2 鋰離子電池儲(chǔ)能裝置方案參數(shù)匹配流程

2.3 超級(jí)電容參數(shù)匹配方法

因?yàn)殡姵鼐哂斜饶芰扛摺⒈裙β氏鄬?duì)較低的特點(diǎn)，所以當(dāng)車(chē)輛需要電能的功率較低能量較大時(shí)，應(yīng)由電池組提供.超級(jí)電容具有很高的比功率，但其比能量很低，當(dāng)車(chē)輛需要大功率充放電時(shí)，由超級(jí)電容提供.根據(jù)已計(jì)算的車(chē)輛不同工況的電功率和能量需求的特點(diǎn)，分別確定其在復(fù)合儲(chǔ)能裝置中的來(lái)源:

a）靜音行駛需很大的電能，功率相對(duì)較低，電池組可以滿足，因此靜音行駛工況下的電能應(yīng)來(lái)自于電池組.匹配電池組參數(shù)時(shí)要滿足車(chē)輛靜音行駛的要求.

b）制動(dòng)工況時(shí)，車(chē)輛需要大功率充電，充電時(shí)間短，電池組不能滿足其全部的功率要求，并且超級(jí)電容在大功率充放電時(shí)效率高，速度快，則制動(dòng)能量回收時(shí)優(yōu)先向超級(jí)電容充電，其余能量在不超過(guò)電池充電功率的情況下，向電池組充電.對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行參數(shù)匹配時(shí)，要滿足車(chē)輛制動(dòng)工況的要求.

復(fù)合儲(chǔ)能裝置參數(shù)匹配需解決的問(wèn)題是:分別從能量和功率的角度計(jì)算電池和超級(jí)電容的參數(shù)，同時(shí)考慮工程化約束和成本問(wèn)題，來(lái)滿足復(fù)合儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo).復(fù)合電源的參數(shù)匹配主要包括對(duì)電池功率、容量、標(biāo)稱(chēng)電壓和串聯(lián)節(jié)數(shù)的計(jì)算，以及對(duì)電容單體容量和串聯(lián)節(jié)數(shù)的計(jì)算.復(fù)合儲(chǔ)能裝置參數(shù)匹配的主要步驟如圖3所示.

3 參數(shù)匹配計(jì)算與實(shí)例

3.1 電池組參數(shù)匹配計(jì)算

3.1.1 電池串聯(lián)節(jié)數(shù)計(jì)算

式中:Ubs為鋰離子電池單體額定電壓，根據(jù)選用的鋰離子電池參數(shù)，其額定電壓3.7 V，所以需149節(jié)電池單體串聯(lián)在一起.

3.1.2 電池功率計(jì)算

電池組的功率要滿足車(chē)輛靜音行駛?cè)康墓β市枨?，假定靜音行駛的平均車(chē)速為30 km／h，則電池功率Pbatt≥70 kW.

3.1.3 電池容量及電池并聯(lián)數(shù)量的計(jì)算

電池容量主要由車(chē)輛靜音行駛的續(xù)駛里程確定:

式中:Cbatt為電池組容量；Um為電池組電壓；δSOC為電池組的有效荷電狀態(tài)，δSOC=0.8；計(jì)算得電池容量為1 472 kJ，即Cbatt≥139.2 Ah.

若選用的電池單體的額定容量為Cbatt，則電池并聯(lián)數(shù)量m為

根據(jù)單體電池?cái)?shù)據(jù)信息，若選用單體額定容量35 A·h的功率能量型鋰離子動(dòng)力電池，并考慮電池隨循環(huán)次數(shù)的增加其容量減小，選取m=4節(jié)電池單體并聯(lián)組成電池組，則電池組容量為35×4=140 A·h.選取140 A·h的電池，其1 C的額定放電功率為550 V×140 A=77 kW，滿足靜音行駛的額定功率需求.則整體電池組的單體數(shù)為N=m×n=4×149=596．

圖3 復(fù)合儲(chǔ)能裝置參數(shù)匹配步驟

3.1.4 電池質(zhì)量和體積計(jì)算

由電池單體的規(guī)格參數(shù)，可計(jì)算由596節(jié)電池單體組成的電池組的質(zhì)量為665.2 kg，體積為0.405 m3.由于電池組需要散熱等其他輔助系統(tǒng)，考慮輔助系統(tǒng)體積（初步估計(jì)占10%），則電池組總體積為0.45 m3.

3.2 超級(jí)電容參數(shù)匹配計(jì)算

3.2.1 串聯(lián)單體數(shù)量計(jì)算

超級(jí)電容通過(guò)DC／DC與母線連接，當(dāng)DC／DC輸入輸出電壓越接近時(shí)其效率越高.因此為保證復(fù)合儲(chǔ)能裝置以較高的效率工作，選擇超級(jí)電容的電壓接近電池組最低工作電壓Un．選用的超級(jí)電容的標(biāo)稱(chēng)電壓為Ucs，則串聯(lián)的超級(jí)電容數(shù)量p為

電池組的最低工作電壓Un=nUbsn，其中Ubsn為電池單體的最低工作電壓．

本文選用的電池單體最低工作電壓為3.2 V，則Un=149×3.2=477 V.選用單體標(biāo)稱(chēng)電壓為2.7 V超級(jí)電容，需177節(jié)電容單體串聯(lián)在一起. 3.2.2 超級(jí)電容單體容量計(jì)算

超級(jí)電容的主要作用是對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收，則超級(jí)電容的最大存儲(chǔ)能量Ecap滿足下式:

式中:Eb為一次制動(dòng)可回收的最大能量，Pbatt為電池1 C充電功率，tb為制動(dòng)時(shí)間．

超級(jí)電容單體容量可由下式確定:

式中:p為超級(jí)電容數(shù)量，C為超級(jí)電容單體容量，Vmax為超級(jí)電容單體最大電壓，Vmin為超級(jí)電容單體最小電壓．

選取的超級(jí)電容標(biāo)稱(chēng)電壓為2.7 V，最小電壓為1.2 V.電池持續(xù)充電功率按照1 C充電計(jì)算為140×550／1 000=77 kW，計(jì)算得超級(jí)電容容量需要544 F，根據(jù)超級(jí)電容規(guī)格選取單體容量為600 F的超級(jí)電容.

3.2.3 超級(jí)電容功率的計(jì)算

超級(jí)電容的峰值功率為式中:Icap為超級(jí)電容的峰值電流，Ucap為超級(jí)電容總電壓．若計(jì)算的超級(jí)電容功率滿足其最大功率需求，則匹配的超級(jí)電容參數(shù)可行，否則需調(diào)整超級(jí)電容的參數(shù).適當(dāng)增加超級(jí)電容串聯(lián)的數(shù)量可使超級(jí)電容組合功率增大.

選用的超級(jí)電容的峰值電流為700 A，前文計(jì)算超級(jí)電容電壓為477 V，則其峰值功率為334 kW，滿足車(chē)輛制動(dòng)時(shí)最大再生功率230 kW（電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)的峰值功率），所匹配的超級(jí)電容參數(shù)可行.

3.2.4 超級(jí)電容體積計(jì)算

超級(jí)電容單體體積約為0.074 L（φ26 mm× 140 mm），可計(jì)算由177節(jié)電容單體組成的超級(jí)電容的體積為0.013 m3.考慮安裝體積和單體間的間隙（初步估計(jì)占10%），則超級(jí)電容總體積為0.014 m3.

4 制動(dòng)工況試驗(yàn)驗(yàn)證

將匹配的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于某型混合動(dòng)力試驗(yàn)樣車(chē).試驗(yàn)樣車(chē)與復(fù)合儲(chǔ)能裝置參數(shù)如表3所示.

表3 試驗(yàn)樣車(chē)和復(fù)合儲(chǔ)能裝置參數(shù)

聯(lián)合制動(dòng)采用優(yōu)先進(jìn)行電機(jī)制動(dòng)的控制策略，在計(jì)算電機(jī)制動(dòng)功時(shí)要考慮儲(chǔ)能裝置及電機(jī)本身的性能約束.儲(chǔ)能裝置的荷電狀態(tài)決定了其可吸收的最大電功率；電機(jī)功率受電機(jī)轉(zhuǎn)速影響最大，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)將不能達(dá)到額定功率，高于額定轉(zhuǎn)速時(shí)可以認(rèn)為電機(jī)可恒功率工作.電機(jī)轉(zhuǎn)速取決于混合動(dòng)力系統(tǒng)功率耦合機(jī)構(gòu)及后部的自動(dòng)變速器擋位.如表4中數(shù)據(jù)，第1次制動(dòng)時(shí)，車(chē)速處于2擋換3擋的換擋車(chē)速之前的臨界點(diǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最高，制動(dòng)功率最大.第6次和第13次制動(dòng)也處于3擋的高轉(zhuǎn)速段，電機(jī)制動(dòng)功率也較大.對(duì)于復(fù)合儲(chǔ)能裝置的控制，為簡(jiǎn)化控制邏輯，采用直流母線系統(tǒng)優(yōu)先從電池系統(tǒng)用電的控制策略，當(dāng)電池功率不能滿足要求時(shí)，由超級(jí)電容進(jìn)行補(bǔ)充.

對(duì)試驗(yàn)樣車(chē)在某公路駕駛工況下進(jìn)行了測(cè)試，提取了其中的制動(dòng)過(guò)程數(shù)據(jù).在駕駛循環(huán)工況下提取制動(dòng)數(shù)據(jù)和前面的制動(dòng)工況分析更具有對(duì)比意義.公路駕駛工況的測(cè)試結(jié)果如圖4所示.

表4 實(shí)車(chē)駕駛工況制動(dòng)信息統(tǒng)計(jì)

圖4 試驗(yàn)樣車(chē)某公路駕駛工況測(cè)試結(jié)果

對(duì)圖4所示的駕駛工況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，較為明顯的制動(dòng)有14次，相關(guān)信息如表4所示.其中平均制動(dòng)功率的計(jì)算方法為車(chē)輛的全部減速功率減去車(chē)輛滑行阻力產(chǎn)生的減速功率，考慮驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械損失和滾動(dòng)阻力、風(fēng)阻等，滑行阻力系數(shù)按照0.05計(jì)算.

在表4所示的實(shí)車(chē)駕駛工況制動(dòng)信息中，車(chē)輛平均制動(dòng)功率為152 kW，電機(jī)再生制動(dòng)功率平均為56 kW，考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)平均充電效率（90%）后，制動(dòng)回收功率占總制動(dòng)功率的能量回收率為56×0.90／152=33.2%.從整體駕駛工況來(lái)看，能量回收還是非?？捎^的.

5 結(jié) 論

1）通過(guò)對(duì)某重型混合動(dòng)力車(chē)輛駕駛循環(huán)工況的提取與分析，得到了機(jī)電聯(lián)合制動(dòng)工況的制動(dòng)功率、制動(dòng)強(qiáng)度等及其分布的數(shù)據(jù)信息，為聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)控制策略及儲(chǔ)能裝置參數(shù)匹配提供依據(jù).

2）提出了重型混合動(dòng)力車(chē)輛的儲(chǔ)能裝置參數(shù)匹配方法，分別針對(duì)以鋰離子電池為主的單一介質(zhì)儲(chǔ)能裝置及鋰離子電池和超級(jí)電容組合使用的復(fù)合儲(chǔ)能裝置進(jìn)行參數(shù)匹配計(jì)算.

3）針對(duì)21 t的某重型混聯(lián)式混合動(dòng)力樣車(chē)進(jìn)行了儲(chǔ)能裝置參數(shù)匹配計(jì)算，匹配的電池組與超級(jí)電容參數(shù)符合車(chē)輛性能要求，體積重量滿足總體設(shè)計(jì)約束.通過(guò)匹配超級(jí)電容，儲(chǔ)能裝置的瞬時(shí)功率能力大幅提升，可顯著提高車(chē)輛的制動(dòng)能力和制動(dòng)能量回收率.通過(guò)駕駛工況的試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，驗(yàn)證了復(fù)合儲(chǔ)能裝置的制動(dòng)能量回收效果.

［1］逯仁貴，王鐵成，朱春波，等.基于飛渡電容的超級(jí)電容組動(dòng)態(tài)均衡控制算法［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，40（9）:1421-1425.

［2］ORTUZAR M，MORENO J，DIXON J.Ultracapacitorbased auxiliary energy system for an electric vehicle: Implementation and evaluation［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2007，54（4）:2147-2156.

［3］LUKIC S M，WIRASINGHA S G，RODRIGUEZ F，et al.Energy storage systems for automotive applications［J］.IEEE Trans on Industrial Electronics，2008，55（3）:2258-2267.

［4］張彤，朱磊，袁銀南，等.并聯(lián)混合動(dòng)力轎車(chē)多能源管理系統(tǒng)標(biāo)定試驗(yàn)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45（2）:12-17.

［5］GAO W.Performance comparison of a fuel cell-battery hybrid power train and a fuel cell-ultra capacitor hybrid power train［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2005，54（3）:846-855.

［6］閔海濤，劉杰，于遠(yuǎn)彬，等.混合動(dòng)力汽車(chē)復(fù)合電源參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)研究［J］.汽車(chē)工程，2011，33（12）: 1078-1083.

［7］于遠(yuǎn)彬，王慶年，王加雪，等.混合動(dòng)力汽車(chē)車(chē)載復(fù)合電源參數(shù)匹配及其優(yōu)化［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2008，38（4）:764-768.

［8］田德文，謝大綱，崔淑梅.軍用汽車(chē)混合電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)復(fù)合能源控制策略［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45（2）:41-47.

［9］吳志偉，張建龍，殷承良.混合動(dòng)力汽車(chē)用混合能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.汽車(chē)工程，2012，34（3）:190-196.

［10］陳全世，朱家璉，田光宇.先進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

（編輯楊 波）

Analysis of brake condition and parameter matching of hybrid energy storage system for hybrid electric vehicles

WANGWeida，WANG Yanzi，XIANG Changle，LIU Hui

（National Key Laboratory of Vehicle Transmission，Beijing Institute of Technology，100081 Beijing，China）

According to the driving cycle of heavy off-road vehicles，the brake power and energy permutation is analyzed，and the performance requirement for the hybrid energy storage system（HESS）is achieved based on the brake energy recovery rate and motor parameters.The parameter matching method for the HESS is proposed and by which the instance calculation for the hybrid propulsion system of 21 tons class vehicles is carried out，and the performance of the HESS with Li-ion cells and ultra capacitors is discussed too.The instance calculation and the test results indicate that the designed HESS canmeet the requirement of the total performance of the HEV and the brake energy recovery，the volume and weightanswer for the restriction of the top design of the HEV.The designed HESS with ultra capacitors can increase the transient power volume greatly and the brake performance and the brake energy recovery rate are enhanced remarkably.

electro-mechanical brake；analysis of brake condition；hybrid energy storage system；parameter matching；ultra capacitors

U469.72

A

0367-6234（2014）09-0074-06

2013-09-12.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51005017）；新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目（NCET-12-0043）.

王偉達(dá)（1980—），男，博士，副教授.

王偉達(dá)，wangwd0430＠163.com.